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负压风机外框变频调速在离心压缩机喘振控制中的应用应用频谱分析
摘要： 从喘振产生机理出发找出喘振发生的先决条件。通过对常用喘振控制方法的分析，指出其中的不足，并提出变频调速 - 旁通回流的喘振控制方法。应用流体机械相似定律及电工学原理，阐明变频调速原理，结合图形论述其控制过程，最后对变频调速—旁通回流方法进行经济性分析，指出变频调速—旁通回流喘振控制方法的科学性和经济性。
关键词：离心式压缩风机； 变频调速；喘振；经济性
中国分类号： TM921.51 文献标识码： B
文章编号： 1006-8155 （ 2008 ） 05-0058-03
Application of Varying Frequency Speed Adjustment on Controlling Surge in Centrifugal Compressor
Abstract: In this paper, the pre-condition of surge occurrence is found out from the surge mechanics. Through the analysis on the common method used to control surge, its shortages are pointed out and the new method for controlling surge of varying frequency speed adjustment-bypass back flow is put forward. The similarity theory of fluid machinery and electrotechnics principle are applied to specify the principle of varying frequency speed adjustment and discuss its control process combined with drawings. At last, the economic analysis on the method of varying frequency speed adjustment-bypass back-flow is carried out and the science and economy of this method for controlling surge are pointed out.
Key words: centrifugal compressor; varying frequency speed adjustment; surge; economy
1 喘振
1.1 喘振现象
当压缩机在运转过程中，流量减小到一定程度时，就会在压缩机流道中出现严重的旋转脱离，流动严重恶化，使压缩机出口压力突然严重下降。由于压缩机总是和管网工程联合工作的，这时管网中的压力并不马上减低，这时管网中的气体压力就反大于压缩机出口处的压力，因而管网中的气体就倒流向压缩机，一直到管网中的压力下降至低于压缩机出口压力为止，这时倒流停止，压缩机又开始向管网供气，压缩机的流量又增大，压缩机又恢复正常工作。但是当管网中的压力也恢复到原来的压力时，压缩机的流量又减小，工程中气体又产生倒流，如此周而复始，就在整个工程中产生了周期性的气流振荡现象，这种现象称为 “ 喘振 ” [1] 。
1.2 产生喘振的先决条件
从喘振现象可知，影响喘振的因素有： (1) 流量； (2) 转速； (3) 管网特性。其中流量是导致喘振的先决条件，因为当压缩机越过最小流量值时，就会在流道中产生严重的旋转脱流和脱流区急剧扩大的情况，进而发展到喘振状态。对于不同的转速，压缩机的性能曲线呈现出不同的性能，转速越高，性能曲线向右上方移动，越容易发生喘振，反之亦然。管网的容量愈大，则喘振的振幅愈大，频率愈低；管网的容量愈小，则喘振的振幅愈小，频率愈高。
2 喘振控制方法
从以上分析可知，要避免压缩机进入喘振状态就必须使压缩机流量大于最小流量值。这是从破坏产生喘振先决条件的角度出发的。现有的喘振控制方法归纳起来主要有以下 3 种。
2.1 固定极限流量法
其原理是：根据压缩机的运行状态按经验确定一个流量最小值，当流量减小到该值时，流量传感器就会输出启动信号，使与压缩机进出口相连的旁通阀开启工作，从而使压缩机流量不再减小，也就避免了压缩机由于流量过小而进入喘振区域。很明显这种方法的制造成本最低，这也是它最大的优点，但它的缺点是很明显的：它不能充分使压缩机工作在其工况区，往往过早启动防喘振工程，浪费了能源，降低了经济效益。
2.2 可变极限流量法
其原理是：压缩机转速变动时，喘振点的变化轨迹 ( 喘振界限线 ) 大致是一条二次抛物线，为防止喘振发生，考虑安全裕度，可以按喘振界限线得到与其平行的一条控制线，以控制防喘振阀的启闭，从而在不同的转速下，使压缩机运行的安全裕度相同，不造成浪费。对于压缩机进气状态变化较小的情况常采用这种控制方法。
2.3 通用性能曲线控制法
其原理是：考虑压缩机在某些特殊场合进气状态变化较大的情况，利用相似原理将压缩机的性能曲线转换成不受进气状态影响的通用性能曲线，根据相似原理，转换后的通用性能曲线形状与原始曲线相似，因此后者喘振点的变化轨迹大致也是一条二次抛物线，所以可以确定一条与喘振界线平行的控制线来控制防喘振阀的开启来保证压缩机流量不小于最小流量点，也就避免了压缩机进入喘振状态。
3 变频调速 ― 旁通回流喘振控制法
通过以上分析可以通过转速的调节，管网特性的调节来影响喘振的发生。对于管网的调节，笔者认为不太合适，因为它涉及管网中阀门的调节，而阀门调节所损耗的能量是白白浪费的，并不能得到有效利用，特别对于大容量的管网，其能量的损失更不能估计了。而对于以上 3 种控制方法，它们都有一个共同特点，就是当所需流量减小到最小流量值时就会开启连接在压缩机进出口的喘振控制阀，回流部分流量，实际上也通过了阀门调节而无形中损失了能量。
3.1 变频调节原理
由相似定律可知，当改变离心压缩机的转速n时，其效率基本不变，但流量、压头及功率都按下式改变[2]：
从式（ 2 ）看出，改变电源频率即可改变电机的转速，从而达到调节流量的目的。
由工程的运行情况可知，设备在开始运行时负荷最大，由流量传感器经调节器至微机 ， 由微机控制变频器，使变频器输出的频率上升，电动机开始旋转并使转速逐渐升高至最大。当负荷减小，这时利用微机控制变频器，使变频运行的电动机按照工程中预先设定的程序进行运转，即降低电源频率，从而降低电动机的转速，让设备继续在低负荷运行，达到所需的流量要求。这样，节电率一般在 20% ～ 30% 。变频装置的调节范围可达 20:1 ，且可基本保持异步电动机特性。
3.2 变频调节的极限性及补救措施
压缩机的转速不能无限制地下降，当下降到一定程度时，由于分离损失的影响会使压缩机性能严重恶化，效率明显降低，功耗明显上升，并引起压缩机振动，严重影响压缩机的运行，因此变频调速范围一般为 1.1 n ~0.6 n 。如图 3 所示，当转速调节到 0.6 n 以下时，就不能运用改变转速的方法来调节流量了，只能用上面所述的 3 种方法来进行调节，以保证所需小流量及确保压缩机流量总大于最小流量值。
3.3 变频调节喘振控制过程
如图 2 所示，当压缩机运行时，由转速传感器将信号输入到微机中，根据微机中设定好的转速对应值确定该转速下的最小流量。当流量传感器输入新的信号时，根据相似原理确定新流量下所需的转速，然后判断该转速是否在允许调节范围内。如果 Yes ，微机将输出转速调节信号进行调速；如果是 No ，将进行通用性能曲线控制法进行喘振控制，微机将输出允许范围内的最低转速调节信号，并输出该转速下的回流量，以达到流量调节的目的，保证了压缩机安全运行。
3.4 变频调节喘振控制方法经济性分析
如图 3 所示，假设压缩机开始工作于 C 点，则对应的流量为 Q c ，现在需要流量为 Q A ，则对应的工况点为 A 点，由于 A 点处于喘振控制线的左侧，即进入喘振调节区，因此不能通过改变管网曲线的方法进行调节，这时如果采用调节回流阀可以达到目的，但要回流 DA 之间的流量，而这些流量所带的能量将消耗在该阀门上，造成能量浪费。如果采用变频调节，将转速调节到 B 点所对应的转速，这时工况点处于 B 点，该流量也即为所需流量，达到调节目的，也节省了Δε的压力能 ，而且转速下降为 0.7 n ，压缩机所消耗的功率大为降低，节能效果非常明显。对于管网曲线 BC ，可利用度为 FIEF ，对于管网曲线 DE ，可利用度为 GHEG ，比前者多出 GHIFG 。显然，对于越陡的管网曲线，采用变频调速 — 旁通回流的方法节能效果越明显。
4 结论
节约能源是当今流体机械发展的主要方向，也是社会的要求。从以上分析，变频调速—旁通回流不但能防止喘振的发生，而且大大减少压缩机能耗，避免了常用喘振控制方法不必要的
振动是回转机械运转时的重要特性。利用数据采集器对机械设备运行状态的振动信息进行采集，然后通过振动频谱分析，可以快速、准确地诊断出如转子不平衡、转轴弯曲、轴承损坏与松动、轴系不对中及动静件摩擦等故障存在的原因，从而达到故障早期发现、诊断迅速及时、结论定点定量、机理清楚明白之目的。
1具体操作流程
其中被测对象是指所要检测设备的某一部件，基频是指被测对象的基本回转频率；检测内容包括检测方向（水平、垂直、轴向）、谱图类型（波形图、速度频谱图、加速度频谱图）等；查找具有代表性的振动信息特征是指剔除冲击信号以后寻找含有一定规律性的谱线族（如削波、轨迹尖角、某一倍频振值升高等）；判断振动值是否异常是指将波形或频谱图所反映的较大振值与相关标准进行比较并得出评判结果；分析故障机理主要是根据波形或振动值超标时所在频率段综合分析、判断出故障发生的原因。在该过程中信号测试是基础，查找具有代表性的振动信息特征是核心，分析故障机理是关键。
2 信息的采集
2.1 检测部位的选择
在旋转机械中，转子及其支撑工程是设备的核心部件，70%的设备故障都和转子及其组件有关。因此回转机械的信号采集主要以转子振动信息和支承轴承座振动信息为主。一般把轴承处选为主要测点，把机壳、箱体、基础等部件选为辅助测点。
2.2 测点的布置
由于不同故障、不同频段在测试方向上的敏感程度不同，故在旋转机械振动信息的采集上，对于低频信号（工频5倍以下）分垂直、水平、轴向3个方向；对高频信号（1kHz以上），由于对方向性不太敏感，故只测垂直或水平一个方向即可。为了保证所测数据的可比性，测点一经选定就应作出相应标记，以使每次测量都在同一测点上进行，同时保证每次测量时设备的工况都相同。在选择测点时还应该考虑环境因素的影响，尽可能地避免选择高温、高湿、出风口和温度变化剧烈的地方作为测量点，以保证测量结果的有效性。
3 测量结果的分析
3.1 根据时间波形初步分析
一般而言，单纯不平衡的振动波基本上是正弦式波形，径向振动较大，振动随转速变化明显，振动强度正比于转速的平方；单纯不对中振动波形比较稳定、光滑、重复性好，波形在基频正弦波上存在两倍频次峰，平行不对中振值主要反应在径向，角度不对中振值主要反应在轴向，且对负荷变化较敏感；转子组件松动及干摩擦产生的振动波形比较毛糙、不平衡、不稳定，还可能出现削波现象，松动方向振动大，振动随转速变化敏感；碰磨一般存在“削顶”波形；自激振动，如油膜涡动、油膜振荡等，振动波形比较杂乱，重复性差，波动大。波形分析具有简捷、直观的特点，可对设备故障作出初步判断。但在实际检测中，单纯出现某一明显特征波形的情况很少，往往都是以合成振动引起的叠加波形出现。因此，要进一步精确判断故障发生的原因，还需利用频谱分析。
3.2 频谱分析
频谱分析的目的是将构成信号的各种频率成分分解开来，以便于对振源的识别。由于各种振动零部件在运转过程中必定产生某一种相应的特征频率，故通过某一频率的振动烈度强弱，可判别振动来源，而且这一特征频率始终与基频（即被测对象工作频率）保持某一倍数关系。常见振动原因及特征频率见。
频谱中的横轴表示时间，纵轴为电压幅度，曲线是表示随时间变化的电压幅度，这是时域的测量方法。如果要观察其频率的组成，要用到频域法，其横轴为频率，纵轴为功率幅度，这样就可看到在不同频率上功率幅度的分布，就可以了解这两个（或是多个）信号的频谱，有了这些单个信号的频谱，就可以把复杂信号再现、复制出来。
分析图2风机在400Hz工作频率下的频域普及平均谱和图3风机在400Hz工作频率下的时域谱，有下列特点：转子径向振动出现2倍频以1倍频2倍频分量为主2倍频所占比例较大；转子轴向振动在1倍频、2倍频和3倍频处有稳定的高峰，达到径向振动的50%以上，4～10倍频分量较小；径向振动较大，有高次谐波出现振动不稳定；时域波形稳定，每次出现1个、2个或3个峰值。
不对中故障产生的频谱图特征有如下特点，说明风机存在严重不对中现象。
风机在360Hz工作频率下的径向振动平均谱有下列特点：强径向振动，特别是在垂直方向出现3～10倍频；径向振动较大，尤其垂直径向振动较大，含有1∕2倍频、3∕2倍频等分数频率分量；时域波形的杂乱，有明显的不稳定非周期信号。
风机机械松动分为结构松动和转动部件松动，造成机械松动的原因：安装不良、长期磨损基础或机座损坏，零部件破损。360Hz径向振动的平均谱符合机械松动的故障的频谱图和波形特征，证明风机存在机械松动。
为了减少电压对频率的影响，采样取在风机降速过程，见图5。比较风机各个工作频率下的峰值见表2，频谱图中有较稳定的高峰，谐波能量没有集中在工频，其他倍频幅值相差不大；随着转速的升降，振幅的升降不明显，转子平衡特性良好。
4 结论
特征频率是各振动零部件运转过程中必定产生的一种振动成分，根据各频率所对应的谐波振动分量所具有的振幅，可以比较直观地分析判断振动来源，在多数情况下通过频谱分析可以获得比较满意的诊断结论。但由于故障与频率并不是严格的一一对应关系，因此，对于复杂的疑难故障应采用综合方法多角度进行分析，才能得出更可靠的结论。
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